论文概览
传统有机太阳能电池（OSCs）中，非辐射复合损失严重制约了其效率提升。近年来，大环π共轭结构因其可抑制分子振动、增强发光特性而备受关注，但其聚集行为往往不利于电荷传输。中南大学邹应萍团队 设计并合成了系列构象锁定的环状受体分子RCM-C6、RCM-C5、RCM-C4，通过调控烷基链长度优化分子平面性与堆积行为，在显著提升光致发光量子产率（PLQY > 14%）的同时，实现高效电荷传输，最终构筑出效率高达17.1%的OSC器件，创下大环受体体系效率纪录。该研究以“Conformationally Locked Macrocyclic Acceptors with Enhanced Photoluminescence for High-Efficiency Organic Solar Cells”为题发表于《Advanced Materials》。
技术亮点
1.构象锁定增强发光：环状结构有效抑制高频分子振动，将PLQY提升至14%以上，显著降低非辐射电压损失（ΔVₙr≈0.22 eV）。
2. 烷基链工程优化聚集：通过缩短连接链（C6→C4），增强分子平面性，改善薄膜形貌，实现更平衡的电荷传输（μₑ/μₕ≈1.02）。
3. 高效器件性能：基于PM6:RCM-C4的器件实现PCE=17.1%，VOC=0.968 V，JSC=23.97 mA/cm²，FF=73.9%，各项参数协同优化。
研究意义
✅效率突破：17.1%的效率是目前报道的大环受体OSC中的最高值。
✅稳定性优异：RCM-C4基器件在80℃持续加热285小时后效率几乎无衰减。
✅机制明晰：通过光谱、形貌、载流子动力学等多维度表征，阐明“发光增强-传输优化”协同机制。
✅普适策略：该分子设计策略为开发兼具高发光与高效传输的下一代光伏材料提供了新范式。
深度精读
图1：分子结构与光谱特性对比图
该图展示了三种环状大分子受体（RCM-C6、RCM-C5、RCM-C4）的合成路径、DFT优化分子构型、紫外-可见吸收光谱及光致发光光谱。通过对比线性类似物BTP-C3，可观察到环状分子具有更平面的几何结构和更强的聚集性，其溶液和薄膜吸收光谱的蓝移趋势反映了烷基链缩短对分子堆积的调控作用，而光致发光光谱的窄化则表明环状结构有效抑制了非辐射衰减，为后续的高发光量子产率奠定基础。
图2：器件性能与电荷传输分析图
此图系统比较了基于不同大环受体的有机太阳能电池的电流密度-电压曲线、外量子效率、载流子迁移率及光强依赖特性。RCM-C4器件实现了最高的填充因子（73.9%）和能量转换效率（17.1%），其均衡的电子-空穴迁移率和接近1的光强指数表明非辐射复合被显著抑制，同时较高的激子解离概率和电荷收集效率共同促成了优异的器件性能，凸显了分子刚性化对电荷传输优化的积极作用。
图3：电压损失与发光机制解析图
本图从电致发光效率、光致发光量子产率、拉曼振动谱、时间分辨荧光等多个维度揭示了大环受体降低电压损失的物理机制。RCM-C4薄膜的PLQY高达14.5%，其拉曼光谱中高频振动模式的减弱和激子寿命的延长均说明分子刚性结构有效抑制了振动弛豫导致的能量损耗；此外，瞬态吸收光谱显示RCM-C4具有更慢的非孪生复合动力学，进一步印证了环状构象在平衡发光效率与电荷分离方面的独特优势。
图4：薄膜形貌与分子堆积表征图
通过原子力显微镜和掠入射X射线散射技术，该图直观展示了大环受体在纯膜和共混膜中的聚集形貌与分子排列方式。RCM-C4形成了更纤细、均匀的纤维状网络结构，其共混膜的面外π-π堆积距离缩短至3.67 Å且结晶相干长度增加，这种有序的分子堆积促进了电荷的纵向传输，而较低的表面粗糙度和优化的相分离尺度共同解释了RCM-C4器件高填充因子和低复合损失的形态学根源。
结论展望
该工作通过精准的分子工程，将大环受体的高发光特性与优良电荷传输能力相结合，成功实现了OSC效率的显著提升。研究不仅展示了大环结构在抑制非辐射复合方面的独特优势，也通过烷基链调控解决了其聚集过强的固有问题，为高效稳定有机光伏材料的设计提供了全新思路。
文献来源
Liu, W., Yuan, J., Nai, Y., et al. Conformationally Locked Macrocyclic Acceptors with Enhanced Photoluminescence for High-Efficiency Organic Solar Cells.Adv. Mater. 2025, e19607.
DOI: 10.1002/adma.202519607.
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